某數據中心電氣系統比選分析

范 鑫

[上海華建工程建設咨詢有限公司,上海 200041]

0 引 言

數據中心電氣系統的安全可靠性對數據完整性、保密性、運行效率和可用性至關重要。一旦發生故障或失效將導致數據丟失和泄露,引發安全風險和經濟損失。數據中心是企業和機構的核心樞紐,故障會影響正常運營,尤其在金融、電商、公共服務等領域安全可靠性尤其重要。此外,電氣系統的安全可靠性還影響能源使用效率和環境保護。選擇適合項目的電氣系統是確保數據中心安全可靠的重要支撐。

本文通過某金融行業數據中心項目為例,簡述在項目初期對整個數據中心電氣系統的比選分析,以此決策出最適合該項目的電氣系統,來作為后續數據中心電氣系統安全可靠的重要支撐。

1 項目概況

本項目數據中心樓建筑地上6層,地下1層,建筑高度40.60 m,地上部分建筑面積為49 610 m2。能源中心(柴發樓)地上4層,地下1層,建筑高度35.85 m,地上建筑面積為7 530 m2。配套區總面積為42 055 m2,配套區地下室總面積為22 865 m2。數據中心本次規劃5 940臺標準機柜,平均功率按照8 kW計算。機房等級要求:滿足國家A級機房標準;滿足人民銀行 I 級機房標準;局部滿足Uptime T4機房標準。

根據19DX101-1《建筑電氣常用數據》[1]要求,金融建筑的輔助區、支持區、辦公區的用電指標為70～100 W/m2。根據建設數據中心的經驗,數據中心配套辦公區域的用電量較普通辦公支持區域的用電量更大,綜合考慮配套區域的廚房、餐廳、建筑泛光照明、園區景觀照明、室外升降柱等因素,初步設計階段配套區域按100 W/m2的規范上限進行估算,地下室按35 W/m2估算用電量。配套區總計裝機容量約8 000 kW,考慮需要系數0.75,功率因數0.92,變壓器負荷率0.85,總計變壓器預計裝機容量為7 600 kVA。因此在配套區域地下室采用4臺2 000 kVA變壓器為配套區域服務。

數據中心樓地下一層設置變配電所為公用設備服務,共設置2×2×2 000 kVA及15×2×1 600 kVA容量的變壓器;數據中心樓一層至四層共設置4×12×2 000 kVA容量的變壓器為IT機房服務;數據中心樓五層至六層共設置2×6×2 000 kVA及2×6×1 600 kVA容量的變壓器為IT機房服務;能源中心(柴發樓)設置2×1 000 kVA容量的變壓器為公用設備服務。能源中心設置3組G3級10 kV柴油發電機組(第一組13臺12用1備2 200 kW PRP(DCP),第二組13臺12用1備2 200 kW PRP(DCP),第三組13臺12用1備2 000 kW PRP(DCP))。柴發系統根據數據中心等級及業主要求,采用雙母線并機的方案。

2 變配電所位置比選

變配電所的位置影響著數據中心的能源效率。選擇靠近10 kV電力網絡的變配電所,可以減少輸電損耗,提高供電效率,節能節耗;減少供電線路的長度,可以減少輸電損耗和冷卻能耗;變配電所的位置需結合暖通、給排水的設備用房需求統籌考慮;需結合操作方便性、運維連續性、故障冗余性等因素,以此為切入點,分析出變配電所的合理設置。配套區變配電所位置分析如表1所示。

表1 配套區變配電所位置分析

結合本項目的實際情況,從技術可行性、可實施性、可維護性、經濟性等角度綜合考慮,配套區采用2座10/0.4 kV變配電所的配置方案。機房區10/0.4 kV變配電所則按常規進行分層設置,減少供電路由,降低管線壓力,節約建設成本。

3 柴油發電機系統比選

3.1 柴油發電機單機容量比選

GB 50174—2017《數據中心設計規范》[2]中第8.1.14條規定:A級數據中心發電機組應連續和不限時運行,發電機組的輸出功率應滿足數據中心最大平均負荷的需要。GB/T 2820.1—2022[3]中規定發電機組連續不限時運行的功率稱為COP功率;數據中心工況下發電機組連續不限時運行的功率為DCP功率。兩種功率段均能滿足規范設計需求。

方案對比中的柴油發電機組均以市場幾大主流合資品牌的原廠整機產品為例,造價按照幾大主流合資品牌的同檔次機型計算平均造價。從經濟性角度考慮,按照DCP功率進行設計,后續考慮需求再進行調整。不同容量柴油發電機組的主要參數如表2所示。

表2 不同容量柴油發電機組的主要參數

3.2 柴油發電機并機系統比選

根據數據機房樓機房布置方案1F與4F為國A標準機房;2F與3F為T4標準機房,故設計考慮將1F+4F機房IT設備為一組;2F+3F機房IT設備為一組;根據現有建筑體形,設計提出兩種不同柴油發電機并機方案。

方案一采用每組13臺柴油發電機組并機:根據負荷計算,同時變壓器損耗+UPS損耗+線路損耗按照4%考慮,所有設備用電負載率按0.9考慮,1F與4F采用13(12+1)臺COP為1 800 kW的柴油發電機并機,負載率為95%;2F與3F采用13(12+1)臺COP為2 200 kW的柴油發電機并機,負載率為93%;機房配套空調動力設備采用13(12+1)臺COP為2 000 kW的柴油發電機并機,負載率為94%。總造價估算為13 650萬元。

方案二采用每組12臺柴油發電機組并機:根據負荷計算,同時變壓器損耗+UPS損耗+線路損耗按照4%考慮,所有設備用電負載率按0.9考慮,1F與4F采用12(11+1)臺COP為2 000 kW的柴油發電機并機,負載率為94%;2F與3F采用12(11+1)臺COP為2 400 kW的柴油發電機并機,負載率為93%;機房配套空調動力設備采用12(11+1)臺COP為2 200 kW的柴油發電機并機,負載率為93%。總造價估算為18 000萬元。

方案一較方案二相比造價節省約4 350萬元,相同技術條件下采用39臺柴油發電機方案時造價下降明顯,因此采用方案一。

4 不間斷電源系統比選

當前數據中心行業的機房供電方案一般有如下幾種:UPS供電、HVDC供電、市電直供。本項目需滿足國家A級機房標準及UptimeT4標準,市電直供方案不具備可行性,可采用UPS及HVDC供電方案。3種常用不間斷電源系統分析如表3所示。

表3 3種常用不間斷電源系統分析

通過比選,本項目采用雙路UPS方案或雙路HVDC方案,考慮IT設備選型與運維經驗,最后以UPS方案為主,HVDC方案為輔。

5 蓄電池比選

為保證市電中斷后數據中心重要負荷的不間斷運行,不間斷電源必須配置后備電池,按照國家A級機房標準,本項目后備電池配置為滿載15 min。

在近幾年的數據中心的應用中,后備電池主要有傳統鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池兩類。這兩種電池各有優劣,以下是兩種電池的對比分析,鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池主要性能分析如表4所示。結合本項目的需求,本項目采用鉛酸蓄電池方案。

表4 鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池主要性能分析

6 結 語

數據中心電氣系統的安全可靠性對于確保數據的完整性和保密性至關重要。數據中心一旦發生電力系統的故障或失效,將會給數據中心帶來巨大的災難性后果,不僅可能導致數據丟失,還可能造成數據泄露,進而引發重大安全風險和經濟損失。不同類型的數據中心,通過前期的系統比對,從不同維度如價格、系統穩定、技術支持等方面,幫助設計師在設計過程中從眾多不同的電氣系統中找到最合適該項目的選擇,以此來確保后續設計的數據中心更加合理、安全、穩定、可靠。